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  • 文章从衰减控制原理、光机部件、电机驱动、衰减范围控制以及数据修正算法等方面,介绍了AV6381可编程光衰减器工作原理,分析了
  • 全面讲述电子电路的衰减器设计原理,减器是在指定的频率范围内,一种用以引入一预定衰减的电路,一般以所引入衰减的分贝数及其特性阻抗的欧姆数来标明。
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  • 自动衰减器工作流程

    2019-03-20 16:06:59
    自动衰减器工作流程 衰减器介绍   衰减器顾名思义,就是用来衰减信号强度的,他与放大器对信号的作用是相反的。那么为什么我们需要用到衰减器呢?如下图: 假如有一个信号90dBuV,没有进过衰减,我们前端处理信号...

    自动衰减器工作流程

    衰减器介绍

      衰减器顾名思义,就是用来衰减信号强度的,他与放大器对信号的作用是相反的。那么为什么我们需要用到衰减器呢?如下图:
    衰减图示
    假如有一个信号90dBuV,没有进过衰减,我们前端处理信号能的极限是50dBuV,那么我们得到的信号参数就失真了,是一个模糊的值。如果经过衰减器呢,情况就如下图:
    信号失真
    我们完整的得到了整个信号的信息。那衰减之后不是变小了吗?这个我们这在后期处理的时候补偿不就可以了。

      衰减器在硬件电路中的位置在tuner的前面,保证进入tuner的信号是在其极限范围内,如下图:
    硬件电路图

    手动调节衰减器

      硬件预留给软件这边可调衰减器范围是45dB,通过频谱模块的MCU进行控制。我们软件主程序通过spi跟频谱模块的MCU相互通信,这块这里就不细讲解spi通信的实现了(上图中cpu与MCU之间连线上面写的spi,即他们使用spi相互通信)。通过spi给MCU发送需要调节的衰减器的值就可以做到手动控制调节衰减器了。如上图中的硬件电路图中的-15dB的两个衰减器和右上角的PE4314这个衰减器可以控制0-30dB。

      在三个显示模式中的options选项菜单中,有一个衰减模式选择项,其中有一个自动衰减模式和一个手动衰减模式。选择手动衰减模式时,下面的衰减器设置选项就从隐藏不可选状态恢复正常,即可以手动更改衰减器的值达到手动设置衰减器的目的。除此之外,在meter显示模式中的频谱小窗口以及频谱显示模式中可以通过上下按键手动调节。

    自动调节衰减器

    基本原理

      有了前面手动衰减器的基本概念,那么怎么才能做到自动调节衰减器呢?首先一点,我们调节衰减器是为了让RF进来的信号到tuner时不要超过tuner的极限范围。tuner处理信号的范围现在是0-50dBuV,加上我们的衰减器最大60dB,也就是可以达到110dBuV的理论极限范围。下面有三张图,看看如果让你选,你觉得那种比较舒服看上去。
    demo1


    demo2


    demo3

    不用说第二幅,相比于第一幅不会丢失内容导致参数失真;相比于第三幅屏幅全部利用到了,细节显示更好。
      介绍几个名词,ref这个就是我们频谱的显示坐标轴纵坐标的最大值,noise底噪是我们频谱的显示坐标轴纵坐标的最小值,频谱的显示范围固定为ref-noise=60dB。(其实理论上我们的noise就等于衰减器值,除了noise=50dB时,衰减器还是45dB之外)
      那怎么做到让所有的信号进来都能达到第二幅的效果呢,
      1.我们的做法是设置两个阈值,上阈值 = noise + 55dB,下阈值 = noise + 40dB。
      2.采样频谱数据,获取这次频谱数据中最大值
      3.将频谱数据的最大值与上下阈值对比,如果比上阈值大衰减器加5dB,如果比下阈值小衰减器加5dB。
      这样稳定下来的频谱采样数据,最大值应该一直在上下阈值之间波动,即保证了信号超过极限范围导致失真,又能保证显示更多细节。

    算法

      用到的算法不多也不难,主要是思路比较重要。
      1.获取频谱采样数据的最大值,这个就是一个简单的循环比较函数就可以搞定
      2.阈值的计算,衰减器值只是在noise为50dB不一样,做一个判断处理,其他情况相等,所以保存衰减器值就可以计算出每次的阈值了。

    频谱以外显示模式的处理

      上面所说的各种原理和思路都是基于频谱的,那么在其他显示模式中,没有频谱怎么办?
      在这里介绍一下,我们专业meter对dBuV值要求特别高,而专业meter的dBuV值计算就是通过频谱计算出来的,这里就详细介绍频谱计算公式。频谱的一点点误差,运算出来的dBuV值就会有较大误差,而且考虑到我们在播放节目和解析信号参数的同时能够实时显示dBuV值,就必须两路分开处理信号。
      从上面电路图可以看出,我们的meter处理信号这块有两路,一路是正常我们锁信号播节目,一路是专门获取频谱。有一个频谱单片机在后台实时获取频谱数据的,我们通过spi可以跟频谱的mcu通信获取到频谱数据,从而计算出我们想要的dBuV值或者显示出频谱。所以在我们计算dBuV值的时候就可以利用频谱数据做前面频谱模式中的自动衰减的处理了。

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    文章导读:
    VOA的优势、类型
    MEMS Shutter型VOA
    MEMS微镜型VOA
    MEMS微镜型VOA中的WDL问题
    MEMS微镜型VOA的WDL优化

    MEMS(Micro Electro Mechanical System,微机电系统)技术被广泛应用于光纤通信系统中,MEMS技术与光学技术的结合,通常称作MOEMS技术。最为常用的MOEMS器件包括光衰减器VOA、光开关OS、可调光学滤波器TOF、动态增益均衡器DGE、波长选择开关WSS和矩阵光开关OXC。

    VOA在光纤通信系统中常用于光功率均衡,在各种技术方案中,MEMS VOA具有尺寸小、成本低和易于制造的优势。最常用的MEMS VOA有两类:MEMS Shutter型和MEMS微镜型,前者通常以热效应驱动,后者通常以静电力驱动。

    MEMS Shutter型VOA
    基于MEMS Shutter的VOA结构如图1所示,MEMS Shutter被插入两根光纤之间的光路,衰减量取决于被阻挡的光束截面大小。在实际应用中,这种VOA也可以设计成反射型。
    图1. 基于MEMS shutter的VOA结构
    MEMS微镜型VOA
    如图2所示为基于MEMS扭镜的VOA结构,它以双光纤准直器的两根尾纤作为输入/输出端口,准直光束被MEMS微镜反射偏转,从而联通输入/输出端口之间的光路。扭动微镜让光束发生偏转,从而产生光功率的衰减。
    图2. 基于MEMS扭镜的VOA结构
    MEMS扭镜通常有两种结构,即平板电极和梳齿电极,如图3所示。考虑0~20dB的衰减范围,前者通常需要>10V的驱动电压,后者可将驱动电压降至5V以下。然而,仅仅一个微小的粉尘颗粒就会卡住梳齿电极,因此其生产良率较低。采用梳齿电极的MEMS微镜,通常需要在超净环境下封装。

    图3. 两类MEMS扭镜:平板电极和梳齿电极
    MEMS微镜型VOA中的WDL问题
    基于MEMS shutter和MEMS微镜的VOA均有广泛应用,前者性能指标较好,但装配工艺相对复杂;后者易于装配但WDL(波长相关损耗)相对较大。在宽带应用中,此类VOA会对不同波长产生不同的衰减量,此现象定义为WDL。宽带应用中,要求WDL指标越小越好。

    WDL问题源于单模光纤SMF中的模场色散,我们知道,光纤中的不同波长具有不同的模场直径,长波的模场直径更大一些。图4所示为光纤中模场的色散情况。
    图4. 光纤中模场色散情况
    如图4所示,光束被MEMS微镜反射偏转,不同波长的的光斑均偏离出射光纤的纤芯。在未经优化的VOA中,所有波长的光斑具有相同的偏移量。如式(1),衰减量A取决于偏移量X和模场半径ω。
      (1)
    在一个相对有限的波长范围内,如C波段(1.53~1.57μm),单模光纤中的模场色散情况可以式(2)作线性近似处理[3]。
    (2)
    对于常用的康宁公司SMF-28型单模光纤,上式中的系数为a=5.2μm、b=3.11@λc=1.55μm。当中心波长λc处的衰减量Ac给定时,得到光斑的偏移量Xc如式(3)。
    (3)
    综合式(1-3)可得到波长范围λs~λl内的WDL如式(4),其中下标s, c, l分别代表波段范围内的短波、中波和长波。
    (4)
    根据式(4),当VOA的衰减量Ac设置越大时,光斑的偏移量Xc也越大,因此会产生更大的WDL,如图5, 图6所示。根据图6,在衰减范围020dB和波长范围1.531.57μm之内,最大WDL可达0.96dB。商用MEMS VOA可测得最大WDL为1.5dB,这是因为光学系统色散的影响,造成不同波长的光斑在输出光纤端面的偏移量不同。这种情况与图4所示情况不同,在图4中,所有光斑具有相同的偏移量。

    图5. 对应不同衰减水平的WDL
    图6. 对应不同衰减水平的WDL

    MEMS微镜型VOA的WDL优化
    MEMS微镜型VOA中的WDL源于两个因素:模场色散和光学系统色散,两个因素的影响累加起来,让最大WDL达到1.5dB。那么这两个因素的影响能否相互抵消,以助于减小WDL呢?答案是可以,但需要精细的分析和设计。

    根据式(1),长波具有更大的模场直径,因此其衰减量更小。如图4.16所示,如果光学系统能够对长波的光斑产生更大的偏移量,就可以增加长波的衰减量,从而对衰减谱线产生均衡作用。
    图7. 光学系统的色散与模场色散相互抵消情况
    然而,根据式(4),因两个因素产生的WDL,只能在某个特定的衰减水平Ac下完全相互抵消。当VOA器件的衰减量被设置为一个异于Ac的数值时,将会存在剩余WDL,如图8所示。

    从图8中看到,在优化之前,最大WDL产生于衰减量为20dB时。如果通过优化,将衰减量为20dB时的WDL完全抵消,则最大WDL产生于衰减量为4dB时。 如果将衰减量为13dB时的WDL完全抵消,则在0~20dB的衰减范围内,最大WDL将<0.2dB。

    图8. 两个引起WDL的因素相互抵消情况
    目前已有各种方案,可通过光学系统产生相反的色散。在图9中,准直透镜与MEMS微镜之间插入了一个棱镜,因而光学系统的色散与模场色散相互抵消。然而,额外加入的棱镜会增加VOA器件的成本和复杂度。图10展示了另一个解决方案,该方案要求制造准直透镜的玻璃材料具有很高的色散,并且透镜前端面倾角>10°(在现有器件中,这个角度通常为8°)。

    图9 通过引入棱镜来优化WDL ; 图10 通过高色散的准直透镜来优化WDL
    基于对光学系统色散的透彻分析,华中科技大学的万助军等人提出了第三种解决方案,准直透镜的材料为常用的N-SF11玻璃,透镜的曲率半径也是常用的R=1.419mm。为了优化WDL指标,得到准直透镜的其他参数之间的关联曲线如图4.20所示,曲线上任意一点给出准直透镜的一组参数:端面角度φ和透镜长度L。基于这些参数加工准直透镜,VOA器件的WDL指标将得到优化。注意图11中的端面角度φ均为负值,因此双光纤插针与准直透镜需要按照图12(d)中的方向进行装配,而非如图12(c)中的现有MEMS VOA装配方式。他们最终装配的MEMS微镜VOA如图13所示,据报道,在衰减范围020dB和波长范围1.531.57μm之内,测得最大WDL<0.4dB。

    图11. WDL优化之后准直透镜参数之间的关系
    图12. 通过调整准直透镜端面角度优化WDL指标
    图13.  MEMS微镜VOA样品
    随着DWDM技术的快速发展,MEMS VOA的在光通信网络中的应用将越来越广泛。亿源通立足于现有业务的需求以及面向未来网络发展需求,推出了一系列MEMS技术产品, 包括1×48通道的光开关, 与 WDM、PLC 或 PD 集成的 MEMS 光开关模块,以及MCS模块等。

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    PE4302射频衰减器 程控衰减器 高线性衰减器 原理图和PCB

    基本原理

    衰减器是一种提供衰减的电子元器件, 广泛地应用于电子设备中,它的主要用途是调整电路中信号的大小,改善阻抗匹配,能够缓冲阻抗的变化。是无线电领域的常用器件,射频衰减器相对于一般的电阻做分压衰减有高频更好的匹配特性,和线性度。

    芯片选型

    PE4302是一款高线性度,6位数字射频步进衰减器,0.5 dB步至31.5 dB的衰减范围,支持串并行数据控制衰减量,其次最大输入射频信号幅度为24dBm。于此类似的射频衰减器还是有很多的,比如PE43702和ADI公司的HMC624等等。

    原理图&3D-PCB

    射频衰减器原理比较简单,下面将主要对PCB布局和布线的一些细节讲解示意。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    具体讲解

    1、在电源芯片上选用了性价比很高的RT9193-3.3V,添加了D2作为电源反接保护。在路边电容上要大小兼备,一个大容值,一个小容值可以起到更好的滤波效果。
    在这里插入图片描述
    2、如下图所示,R1,R2为470欧上拉电阻,R3,R4为10K接地电阻,这样保证了断开拨码开关时输入电平为低,打开拨码开关是输入电平为高,拨码开关默认断开的情况下,输入PE4302的电平都是低。
    在这里插入图片描述
    3、P/S是芯片的串并行控制端,接高电平为串行控制,接低电平为并行控制。
    4、LE是芯片的使能端,接高电平芯片使能,可以实现不同的衰减。具体的工作模式如下图:
    在这里插入图片描述
    5、在P/S置低,LE置高的时候,C0.5-C16(网络标号)的并行控制口的衰减量是叠加的,例如需要11dB衰减,则需要将C1,C2,C8对应的开关置高,具体如下图:
    在这里插入图片描述
    6、当P/S置高,LE置高的时候,芯片处于串行工作模式,控制时序与要求如下图:
    在这里插入图片描述
    7、输入输出匹配电阻R5,R6只是作为预留,可根据自己的实际使用情况焊接。由于C1和C2的电容存在输入信号频率范围就兼容不到DC了,电容值越大兼容越低的频率,虽然芯片标称是到DC。
    8、在布线上,射频信号讲究直入直出,且信号线的宽度如果发生变化的话也必须是缓变的。
    9、在信号线周围都需要加上一圈接地孔保护信号。
    10、芯片底部焊盘需要良好接地,也就是需要打5个过地孔,其次是电源的滤波电容也要尽量靠近芯片。
    在这里插入图片描述

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    仅供参考:PE4302资料

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  • 衰减器原理 射频衰减器原理 射频衰减器原理 射频衰减器原理
  • PE4302衰减器资料.zip

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    π型衰减器

    π型衰减器的作用

    π型衰减器主要作用是对信号进行衰减处理,同时进行阻抗匹配,阻抗匹配主要是为了调整负载功率和抑制信号反射。
    ①调整负载功率
    我们都知道最大功率传输定理,在负载电阻R=电压源内阻r时负载能获得最大输出功率Pmax=U·U/(4*r)。
    ②抑制信号反射(仅针对高频信号)
    当一束光从空气射向水中时会发生反射,这是因为光和水的光导特性不同。同样,当信号传输中如果传输线上发生特性阻抗突变或者传输线的特征阻抗与负载阻抗不匹配也会发生反射,传输线的特征阻抗是由传输线的结构以及材料决定的(与传输线的长短无关),一些射频设备上则常用特征阻抗为50欧的同轴电缆。波长与频率成反比,低频信号的波长远远大于传输线的长度,因此一般不用考虑反射问题。高频领域,当信号的波长与传输线长出于相同量级时反射的信号易与原信号混叠,影响信号质量。通过阻抗匹配可有效减少、消除高频信号反射。

    在这里插入图片描述

    π型衰减器的参数

    衰减器对信号功率进行衰减必须进行阻抗匹配,不然就会形成驻波或者反射。所以衰减器的输入端要与信号源的输出阻抗(内阻)匹配;输出端要与负载阻抗匹配;负载阻抗要和传输线的特征阻抗相等,此时的传输不会产生反射,这表明所有能量都被负载吸收了。所以输入阻抗、输出阻抗、信号源内阻、负载阻抗、线路特征阻抗皆为50Ω。
    对于上图,有Ri=R1//(R1//RL+R3)=50;Ro=R1//(R1//r+R3)=50;
    其中RL为负载电阻,r为信号源内阻;
    衰减率L=20lgAu,其中Au=Ui/Uo=(R1//RL+R3)/(R1//RL)

    例如你要设计一个10dB衰减,负载电阻Zo=50Ω的电路,
    有20lg((R1//50+R3)/(R1//50))=10
    R1//(R1//50+R3)=50
    计算可得R1=96Ω;R3=71Ω

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空空如也

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衰减器的工作原理